基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的整車生產(chǎn)線電氣架構(gòu)

程辰，張展鴻，鄧汝炬

基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的整車生產(chǎn)線電氣架構(gòu)

程辰，張展鴻，鄧汝炬

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

自主汽車企業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)化方面仍有進(jìn)步空間，而電氣硬件架構(gòu)是所有電氣規(guī)范建立的基礎(chǔ)，因此，建立標(biāo)準(zhǔn)的電氣硬件架構(gòu)，有助于自主車企在此基礎(chǔ)上逐步形成和完善自己的標(biāo)準(zhǔn)體系。文章搭建了一種基于PROFINET的生產(chǎn)線電氣硬件架構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行智能制造相關(guān)功能的拓展，對(duì)類似生產(chǎn)線電氣設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

電氣規(guī)范；硬件架構(gòu)；PROFINET；智能制造

1 電氣硬件架構(gòu)的意義

1.1 相關(guān)背景

近幾年，一批自主汽車品牌取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，市場(chǎng)占有率持續(xù)增長(zhǎng)，生產(chǎn)基地迅速在各地?cái)U(kuò)張。但與傳統(tǒng)外資車企相比，自主車企在標(biāo)準(zhǔn)化方面仍有一定的進(jìn)步空間。同時(shí)，由于智能制造概念的不斷普及和深入，在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)初期就應(yīng)充分考慮各種功能拓展，留出必要的硬件接口。在這樣的背景下，建立更為標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)線電氣硬件架構(gòu)，顯得尤為重要。

本文以西門子S7-1500系列PLC為基礎(chǔ)，搭建一套完整的可用于整車生產(chǎn)線的電氣硬件架構(gòu)，為生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的規(guī)范化提供行之有效的參考。

1.2 硬件架構(gòu)的概念和意義

自動(dòng)化生產(chǎn)線由多種設(shè)備組成，通過(guò)PLC控制，設(shè)備協(xié)同按一定規(guī)則作業(yè)。不同設(shè)備之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、接線等方式連接起來(lái)，共同構(gòu)成生產(chǎn)線的硬件架構(gòu)。

硬件架構(gòu)反映出了生產(chǎn)線設(shè)備之間的組成關(guān)系，搭建完整、細(xì)致的硬件架構(gòu)，是生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行、穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)、成本節(jié)約都具有很大的指導(dǎo)意義[1-2]。

2 控制架構(gòu)搭建

2.1 通信協(xié)議選定

PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多的終端產(chǎn)品推出兼容PROFINET的版本，PROFINET也隨之得到更為廣闊的推廣應(yīng)用。

西門子S7-1500系列PLC是在S7-300系列的基礎(chǔ)上推出的全新系列工控產(chǎn)品。新一代產(chǎn)品與西門子博途平臺(tái)緊密結(jié)合，其智能化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，逐步替代了原先的S7-300系列產(chǎn)品[3]。

2.2 四層控制架構(gòu)框架

生產(chǎn)線控制架構(gòu)框架分為四層，如圖1。

圖1 四層控制架構(gòu)示意

第一層為匯總/決策層級(jí)，主要包括公司級(jí)服務(wù)器等，用于全公司生產(chǎn)信息的監(jiān)控、存儲(chǔ)和查詢。目前，業(yè)內(nèi)一些整車廠也會(huì)借助工業(yè)云實(shí)現(xiàn)這類功能。

第二層為數(shù)據(jù)匯總層級(jí)，包括生產(chǎn)線上位系統(tǒng)、交換機(jī)、車間級(jí)服務(wù)器等。此層級(jí)數(shù)據(jù)交換主要通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行。通過(guò)上位系統(tǒng)與生產(chǎn)線PLC的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化、信息化[1]。

第三層為現(xiàn)場(chǎng)控制層級(jí)，主要包括PLC及交換機(jī)等設(shè)備。此層級(jí)的數(shù)據(jù)交換主要通過(guò)PROFINET進(jìn)行。作為現(xiàn)場(chǎng)控制的核心，PLC控制著整個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備協(xié)同作業(yè)。

第四層為應(yīng)用/執(zhí)行層級(jí)，包括系統(tǒng)內(nèi)所有顯示、操作、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行、檢測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線體的各種工藝功能。

2.3 典型生產(chǎn)線的控制架構(gòu)搭建

一個(gè)典型的焊裝車間生產(chǎn)線電氣硬件架構(gòu)如圖2所示。對(duì)于其中的部件，有以下說(shuō)明：

系統(tǒng)內(nèi)大部分設(shè)備通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。人機(jī)交互界面（HMI）、輸入/輸出模塊、機(jī)器人控制器、柔性定位裝置、變頻器等設(shè)備均通過(guò)交換機(jī)連接PLC。

系統(tǒng)中所有交換機(jī)均使用管理型交換機(jī)，且形成環(huán)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)通信的冗余，保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定[4]。

PLC配置以太網(wǎng)連接模塊，與上位系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)交互生產(chǎn)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息。

顯示/操作元器件如操作按鈕、柱燈等的信號(hào)接入普通I/O模塊；急停、安全光柵、區(qū)域掃描儀等安全器件的信號(hào)接入安全I(xiàn)/O模塊。

機(jī)器人控制柜通過(guò)獨(dú)立的交換機(jī)形成子網(wǎng)，機(jī)器人控制器、焊接控制器、I/O模塊、閥島等設(shè)備通過(guò)此交換機(jī)連接，由對(duì)應(yīng)機(jī)器人的控制器單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)焊、搬運(yùn)等工藝。

對(duì)于特殊的工藝應(yīng)用，如機(jī)器人在線視覺測(cè)量等，除需通過(guò)機(jī)器人控制器與PLC進(jìn)行通信外，還需配備以太網(wǎng)通信板卡及接口，用于直接向上位系統(tǒng)上傳部分?jǐn)?shù)據(jù)（如在線測(cè)量精度數(shù)據(jù)等），以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與車輛信息的一一綁定與追溯。

圖2 典型的生產(chǎn)線控制架構(gòu)

2.4 智能制造相關(guān)硬件架構(gòu)

2.4.1焊接品質(zhì)管理

對(duì)于機(jī)器人自動(dòng)點(diǎn)焊等焊接工藝，系統(tǒng)需配置工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)焊接控制器進(jìn)行組網(wǎng)監(jiān)控。

圖3 工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成如圖3所示，主要硬件包括工控機(jī)、顯示器、交換機(jī)等。工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通信協(xié)議常用Ethernet/IP，與主控系統(tǒng)部分相互區(qū)隔。焊接控制器配置PROFINET、Ethernet/IP兩種獨(dú)立網(wǎng)卡，可實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議之間的隔離[2]。

各焊接控制器以星形結(jié)構(gòu)接入以太網(wǎng)交換機(jī)，再接入安裝有相關(guān)監(jiān)控軟件的工控機(jī)，以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的監(jiān)控。工控機(jī)留有上位系統(tǒng)接口，可將焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)參量（如輸出電流值、通電時(shí)間、焊接曲線等）通過(guò)以太網(wǎng)上傳至上位系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和綁定。這將對(duì)實(shí)現(xiàn)焊裝過(guò)程智能追溯、保證車身焊接強(qiáng)度有很大的促進(jìn)作用。

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，一般同一個(gè)工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，同時(shí)監(jiān)控的焊接控制器的數(shù)量不超過(guò)24臺(tái)。

2.4.2能源監(jiān)控與管理

在系統(tǒng)配電柜中設(shè)置智能電表，并通過(guò)PLC，定期向上位系統(tǒng)傳送電能數(shù)據(jù)（參見圖2）。系統(tǒng)積累大量能耗數(shù)據(jù)后，可以利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，幫助找到系統(tǒng)中可能存在的能源浪費(fèi)，為制訂相應(yīng)對(duì)策進(jìn)行節(jié)能減排提供參考依據(jù)[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

制定清晰明確的硬件架構(gòu)，是設(shè)備規(guī)范化的基礎(chǔ)，也是設(shè)備智能化的必然要求。本文基于西門子S7-1500系列PLC及用于焊接車間的常用設(shè)備，搭建了較為完整的硬件架構(gòu)體系，并已在實(shí)際生產(chǎn)線上得到了充分驗(yàn)證，具有一定的參考借鑒作用。

[1] 張琦,尹嘉娃.PROFIBUS與PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線比較與應(yīng)用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014(5):60-64.

[2] 藍(lán)麗,李紅星.PROFINET與現(xiàn)場(chǎng)總線的集成應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息（測(cè)控自動(dòng)化）,1008-0570(2007)08-1-0023-02.

[3] 西門子（中國(guó)）有限公司.基于組件技術(shù)的自動(dòng)化[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2003(5):23-25.

[4] 董偉,李正,趙瑜,等. PROFINET CBA在煙草制絲線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013,26(8):81-82.

Electrical Architecture of Vehicle Production Line Based on PROFINET

Cheng Chen, Zhang Zhanhong, Deng Ruju

( Guangzhou Automobile Passenger Vehicle Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434 )

The electrical hardware architecture is the basis for the establishment of all electrical specifications. The establishment and continuous improvement of the electrical hardware architecture will help improve the standardization system of independent auto companies. This article builds a production line electrical hardware architecture based on PROFINET. Moreover, the expansion of functions related to intelligent manufacturing is reserved, which has certain reference value for the electrical design of similar production lines.

Electrical standards; Hardware architecture; PROFINET; Smart manufacturing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.047

TP278; TP249; T-19

A

1671-7988(2021)03-154-03

TP278；TP249；T-19

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程辰，大學(xué)本科，就職于廣汽乘用車有限公司，從事電氣技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化工作。